2.1 5G概述

随着移动互联网业务的飞速发展，为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接的挑战，以及适配不断涌现的各类新业务的技术需求，第五代移动通信系统（5G）应运而生。面向5G，移动通信产业希望能够将4G带给移动互联网的繁荣复制到社会的各行各业，所以提出了万物互联的发展目标，不仅考虑人与人之间的连接，同时也考虑人与物、物与物之间的连接。所以，5G将渗透到未来社会的各个领域，构建“以用户为中心”的全方位信息生态系统，为用户带来身临其境的信息盛宴，便捷地实现人与万物的智能互联，最终实现“信息随心至，万物触手及”的愿景 ^[1] ，如图2-1所示。

为此，国际电联（ITU）为5G定义了增强型移动宽带、超可靠低时延和低功耗大连接三大典型应用场景。为了满足这三大应用场景的需求，5G网络将具备比4G更高的性能，如图2-2所示，包括支持100Mbps的用户体验速率（4G的10倍），每平方千米100万的连接数密度（4G的10倍），毫秒级的空口时延（4G的1/10），每平方千米10Tbps的流量密度，每小时500km以上的移动速度和下行20Gbps、上行10Gbps的峰值速率。其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。同时，5G比4G还将大幅提高网络部署和运营的效率，网络频谱效率显著提高，能效和成本效率提升百倍以上 ^[2] 。

围绕ITU定义的上述5G技术需求，3GPP自2015年年底开始了5G标准——新空口（New Radio，NR）的制定，并在2018年6月正式发布了5G标准的第一个完整的版本Rel-15。由于Rel-15的研究时间有限，5G NR的所有功能并没有在一个版本中完成标准制定，而是重点针对eMBB和部分uRLLC的功能完成了基本功能的标准制定。

由于3GPP的工作惯性以及有限的时间，3GPP采用了保守的“LTE baseline（基线）”的设计原则，即将LTE系统的设计作为基本假设，仅在必要的时候再引入修改和新的设计。所以，5G NR的设计可以说基本继承了LTE的成熟技术和框架，同时引入了一些必要的设计来进一步扩展和优化5G NR的能力。

2.1.1 无线接入网（RAN）架构

根据5G新空口基站能否独立工作及信令面锚点的不同，3GPP定义了NR两种组网技术方案，即非独立组网（NSA）和独立组网（SA）。两种组网技术方案的主要区别在于5G网络（5GC）是否能够独立为5G用户提供通信服务：独立组网技术方案无须借助4G网络，5G网络可独立提供用户接入、驻留等核心网能力，如图2-3所示 ^[4] ；而非独立组网中LTE基站作为信令面锚点连接至核心网，用户设备（User Equipment，UE）需要通过LTE基站接入核心网（如注册、鉴权和移动性管理等），新空口基站不能独立工作，仅作为LTE的数据管道的增强，如图2-4所示。

接入网与核心网节点功能划分如图2-5所示，图中指出了每个网络节点包含的主要功能。

其中接入网节点下一代基站（the next generation NodeB，gNB；通常指5G基站）和ng-eNB主要包含的功能包括：

（1）无线资源管理，包括承载控制、无线接入控制、连接条件下的移动性管理、动态资源分配等；

（2）用户数据的IP头压缩、加密及完整性保护；

（3）接入和移动性管理功能（Access and Mobility management Function，AMF）选择；

（4）用户面数据路由到用户面功能（User Plane Function，UPF）；

（5）控制面信息路由到AMF；

（6）连接建立和释放；

（7）调度和传输寻呼消息；

（8）调度和传输广播信息；

（9）测量配置和测量报告配制；

（10）上行传输层数据包标识；

（11）会话管理；

（12）支持网络切片；

（13）服务质量（Quality of Service，QoS）流管理及映射；

（14）支持终端非激活态；

（15）非接入层（Non-Access Stratum，NAS）消息分发功能；

（16）无线接入网共享；

（17）双连接；

（18）NR与演进的UMTS（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access，E-UTRA）的互操作。

而核心网功能主要分配在三个节点中，包括移动性管理功能（AMF）、用户面功能（UPF）与会话管理功能（Session Management Function，SMF）。其中，AMF主要包括：

（1）NAS信令处理；

（2）NAS安全；

（3）接入层（Access Stratum，AS）安全控制；

（4）3GPP接入网间的跨核心网移动性管理；

（5）空闲状态下终端可达能力；

（6）注册区管理；

（7）系统内与系统间切换；

（8）接入鉴权；

（9）接入授权；

（10）空闲态移动性管理；

（11）支持网络切片；

（12）SMF选择。

UPF主要包括：

（1）无线接入技术（Radio Access Technology，RAT）内和RAT间移动性锚点；

（2）与数据网络相连的外部协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）会话节点；

（3）包路由与分发；

（4）包检测与用户面策略实施；

（5）流量使用情况上报；

（6）业务流到数据网络路由的上行分类器；

（7）支持多宿主PDU会话的分支点；

（8）用户面QoS处理；

（9）上行业务验证（SDF到QoS流映射）；

（10）下行包缓存与下行数据通知触发。

SMF主要包括：

（1）会话管理；

（2）终端IP地址分配；

（3）用户面功能选择与控制；

（4）业务转向配置；

（5）策略实施与QoS的控制部分；

（6）下行数据通知。

2.1.2 空口设计

在整个3GPP的标准制定中，5G参数的设计和选择基本上以4G的设计为基础，为了满足新的需求或者解决4G标准中存在的问题，才引入必要的修改。所以，5G对很多4G的成熟设计都予以继承，而只引入了必要的修正和变化。4G和5G的主要参数对比如表2-1所示。

表2-1中缩略语说明如下：

OFDM，英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交频分复用；

SC-FDMA，英文全称为Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access，即单载波频分多址；

QAM，英文全称为Quadrature Amplitude Modulation，即正交振幅调制；

BPSK，英文全称为Binary Phase Shift Keying，即二进制相移键控；

LDPC，英文全称为Low Density Parity Check，即低密度奇偶校验；

TTI，英文全称为Transmission Time Interval，即传输时间间隔；

CRS，英文全称为Cell Reference Signal，即小区参考信号；

DMRS，英文全称为Demodulation Reference Signal，即解调参考信号；

PDSCH，英文全称为Physical Downlink Shared CHannel，即物理下行共享信道；

ACK，英文全称为Acknowledgement，即确认或应答；

NACK，英文全称为Negative Acknowledgement，即否定确认或者否定应答；

Tx，英文全称为Transmit，即发送；

Rx，英文全称为Receive，即接收。

1.5G NR相对于LTE空口的变化

与LTE空口系统相比，5G NR空口设计的变化主要体现在如下方面 ^[3] 。

1）更高速率

5G面临高速率、高容量等要求，频谱效率需提升至4G的3～5倍，以满足用户需求。Rel-15通过大带宽（FR1100MHz，FR2400MHz）、大规模天线和多用户多输入多输出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）增强、取消CRS参考信号、信道信息反馈设计、Polar/LDPC编码等技术提升5G峰值速率和容量，sub-6GHz的100MHz带宽可达到峰值速率1.7Gbps，而毫米波频段的单用户峰值速率可达10Gbps。

2）更大带宽

LTE系统仅支持20MHz系统带宽，在需要满足更高数据率和系统容量的场景下，需通过载波聚合技术才能实现更大带宽。5G NR标准在设计之初就考虑了更大带宽的需求，在6GHz以下频段数据信道最大可支持100MHz单载波带宽。为此，5G NR引入灵活的系统参数设置来支持大带宽操作，如在6GHz以下频段，5G NR可支持15kHz、30kHz和60kHz的子载波间隔，网络侧和终端侧带宽可以不对等，即基站配置大带宽但是终端配置小带宽，网络侧可根据需求灵活配置终端工作在于小带宽模式。

3）更大的频率适用范围

5G NR引入灵活的系统参数设置以支持灵活的可用频率范围。例如，在6GHz以下频段，5G NR可支持15kHz、30kHz和60kHz的子载波间隔，可以支持5G的400MHz～6GHz的可用频率的使用；而在6GHz以上频段，则可以支持120kHz、240kHz等子载波间隔，从而可以支持26～28GHz、39GHz甚至60GHz的频率范围。目前，3GPP也已经开始研究对60GHz以上频段的支持。

4）低时延

与LTE相比，5G NR提出了更低的时延需求。3GPP定义的5G NR控制面时延降至10ms；用户面时延（单向空口时延）更是降至0.5ms，以满足uRLLC等低时延、高可靠场景的业务需求。Rel-15标准通过引入灵活帧结构、短时域调度单元、免调度传输、移动边缘计算（端到端时延可降至10ms）等技术满足低时延需求。针对用户面，5G在帧结构设计上，除了通过更大的子载波间隔降低时隙和OFDM符号长度，还支持时域上符号级的数据调度，并通过半静态和动态指示两级设计，引入更多上下行转换点，降低用户面时延；在调度流程方面，5G NR设计了上行免调度的传输方式，灵活可配置的传输可进一步降低用户面时延。针对控制面，在空闲态和连接态的基础上引入第三种非激活（Inactive）态。非激活态是位于空闲态和连接态之间的一种中间状态，既节省了终端功耗，又能快速进行控制面状态的转换。此外，还可以通过移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC；又称Multi-Access Edge computing）方法，实现本地业务分流、本地内容缓存，可以进一步降低业务的端到端时延。

5）高频谱效率

5G NR频谱效率要求为下行峰值频谱效率30bps/Hz，上行频谱效率15bps/Hz。为此，5G NR需要采用更大规模天线、新波形、新编码、降低开销等多种技术手段，提高系统频谱效率。在大规模天线方面，5G NR可支持到32端口信道状态信息参考信号（Channel State Information-Reference Signal，CSI-RS）设计，支持最大12流正交多用户传输等，提高多用户复用能力和平均频谱效率；在新波形方面，可降低子载波间干扰，将NR系统的带宽利用率提高到90%以上，甚至达到98%的带宽利用率；在新编码方面，数据信道采用LDPC编码，控制信道采用Polar码，有效提升编译码性能；在降低开销方面，5G NR不再支持全带宽、每子帧周期发送CRS，转而支持参考信号的按需传输，减少了干扰和开销，进一步提升了频谱效率。

6）高可靠性

面向5G uRLLC场景（如车联网应用），对高可靠性的需求日渐增大。5G通过提高编码冗余度、提高调度优先级、降低编码阶数、多次传输等，已可以支持数据包大小小于32 B的99.999%的高可靠应用。

7）高移动性

针对高铁等特定场景，抑制500km/h高速场景下信道时变快、频率偏移大、切换频繁的影响。Rel-15通过参考信号设计、随机接入流程设计、系统参数优化等技术保证高速移动的性能。

8）更广覆盖

考虑到5G部署的新频段大都比4G频率高，基于现网4G站址进行建设实现连续覆盖存在一定困难。Rel-15通过大规模天线设计、广播信道波束扫描、控制信道覆盖增强、高功率终端等技术扩展了5G网络覆盖能力。

2.5G NR对LTE的优化

5G NR也对LTE原有的问题进行了进一步的优化 ^[3] ，下面进行具体介绍。

1）更灵活的资源利用

LTE时分双工（Time-Division Duplex，TDD）系统有7种上下行时隙配置，且每种上下行时隙对应的特殊子帧配置方式也比较受限。在现网部署中，针对LTE TDD远端基站的干扰问题，仅能通过特殊子帧配置来调整保护间隔（Guard Period，GP）的长度，且GP可调整的范围也有限，无法灵活有效地解决远端基站干扰问题。此外，LTE仅能通过多播/组播单频网络（Multicast Broadcast Single Frequency Network，MBSFN）子帧配置实现部分资源的预留，无法针对前向兼容灵活预留更多资源。

5G的帧结构设计必须着眼于满足未来不同应用场景和业务需求，面向多场景支持灵活的系统参数以及帧结构配置，具有灵活的前向兼容资源配置能力，以克服上述LTE系统帧结构的不足。

2）更低的网络干扰

LTE系统中的小区参考信号（CRS）是始终在每个子帧发送（Always on）的，并占用全带宽，相邻小区之间的CRS资源位置根据小区ID号进行模6频率偏移。因此，在LTE全网连续覆盖的场景下，由于CRS的发送会导致小区间的干扰，尤其是对小区边缘用户的干扰较为严重。同时，CRS占用了LTE系统将近14%的开销，可能会造成传输资源的浪费。

因此，在5G NR系统中取消了CRS的传输，将CRS的功能用CSI-RS、DMRS、定时参考信号（Timing Reference Signal，TRS）等带宽和时间可灵活配置的参考信号代替，规避了参考信号的每个子帧都发送的传输机制，实现参考信号的按需传输，可有效降低小区间干扰，提升频谱效率。

3）更好的业务信道和控制信道的覆盖匹配

我国的4G TD-LTE建设飞速发展，截止到2018年年底，中国移动的4G TD-LTE基站数已经达到241万个。4G网络已有部署站点已达相当大的规模，且新增站址难度增大；而5G商用部署初期主力频段为中频段（如2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz等），普遍比LTE所使用的频段高，信号的传播损耗和穿透损耗也更加严重。为了保证5G商用部署在尽可能利用现有4G站址的情况下达到与4G网络基本相同的覆盖能力，针对5G NR控制信道和业务信道的覆盖增强技术是5G NR设计的重要内容。

3.5G NR的设计增强

在5G NR的设计中，从以下几个方面对系统的覆盖进行了增强 ^[3] 。

1）广播信道和公共控制信道的波束扫描

5G NR在大规模天线系统的设计方面，针对广播信道和公共控制信道传输引入了波束扫描机制，利用波束赋型增益对抗频段高带来的传播损耗，从而弥补了LTE中仅有用户专属业务信道可以获取波束赋型增益而导致的控制和业务信道覆盖不匹配的问题。

2）更高聚合等级的控制信道

与LTE相比，5G NR在公共控制信道搜索空间的配置上提供更高聚合等级的选项，如16个控制信道元素（Control Channel Element，CCE）聚合等级，进一步保证公共控制信道覆盖范围。

3）更长的随机接入信道和上行控制信道

为了增强上行覆盖，5G NR在随机接入信道和上行控制信道设计上，支持多次重复的随机接入序列格式以及上行控制信道长格式，通过时间能量累积达到覆盖增强效果。

4）网络功能部署更灵活

随着未来增强现实（Augmented Reality，AR）/虚拟现实（Virtual Reality，VR）、高清视频、自动驾驶、智能工厂等新业务的孕育兴起，电信网络正在面临实时计算能力、超低时延、超大带宽等新的挑战，基于现有的4G网络结构已无法满足这些新业务的技术需求。5G引入的MEC是应对这些挑战的最为关键的技术之一，MEC是一种基于移动通信网络的全新分布式计算方式，构建在无线接入网（Radio Access Network，RAN）侧的云服务环境，通过使部分网络服务和网络功能脱离核心网络，实现节省成本、降低时延和往返时间（Round Trip Time，RTT）、优化流量、增强物理安全和缓存效率等目标。5G MEC不仅是一项新的网络结构和部署方式，更重要的价值体现在支持电信网络的底层开放，从而推动移动通信网络、互联网和物联网的深度融合，是运营商转型诉求下的技术实践和商业实践手段。

4.5G NR高层协议改进

在高层协议方面，尽管5G NR以4G LTE为基础，但在以下几个方面有较大改进。

1）系统消息

引入了按需发送系统消息的方式，必需的系统信息总是周期广播，而对于其他不是所有终端都必需的系统信息，网络可能只在终端有请求的时候才发送。此外，从终端接收角度提出了基于地理区域的系统信息接收方式，某个系统信息在一个特定区域内广播的内容相同，终端在该特定区域内移动或再次进入该区域时，如果相应的系统信息对应的值标签未发生改变，那么终端可以认为之前存储的系统信息依然有效，无须再读取该系统信息。

2）随机接入

由于波束管理技术的引入，随机接入资源（如随机接入前导码和随机接入时频资源）可以与不同的波束相绑定，以便基站选择下行波束发送后续Msg2和Msg4。此外，由于引入辅组上行（Supplementary Uplink，SUL），终端可根据对5G下行载波的测量结果，在两个上行发送载波中选择其中一个作为随机接入，基站在回复随机接入响应时也需要考虑对两组终端进行分别回应。

3）移动性管理

引入了波束相关的增强机制，在测量配置、小区质量计算、测量上报、切换请求、切换命令等消息中都增加了与波束相关的内容。

4）终端状态转换

由于LTE状态转换时延较长，无法满足5G的10ms控制面时延需求，5G提出一种新的终端状态——非激活态。终端处于非激活态时断开无线侧连接，但保持核心网连接，从而保证终端节电同时实现低时延、低信令开销的快速状态转换。由于非激活态的引入，终端下行数据发送到基站，通过基站触发寻呼机制，在RAN侧寻呼区寻呼终端。

5）双连接

5G支持与LTE之间的不同制式的双连接，且新增了不同的信令面、用户面承载，这既能有效利用已有4G网络的广覆盖，提高信令的可靠性，同时也可以有效利用5G网络的高速率、低时延等特点，满足5G不同的技术场景下的特定需求。

6）业务QoS保障

与LTE基于业务数据流（Service Data Flow，SDF）的QoS管理不同，5G提供基于QoS流（QoS flow）的QoS管理机制，包含两层映射机制。非接入层（Non-Access Stratum，NAS）负责SDF到QoS流的映射，接入层（Access Stratum，AS）负责QoS流到DRB的映射，两层映射相互独立。NG-RAN可以根据5G网络的NAS层所提供的QoS配置文件灵活地决定对QoS流的空口处理方式。

详细的5G NR的协议和标准规范，可参考文献[5]、[6]。Rel-15的5G NR定义了5G eMBB场景和uRLLC场景所需的基本功能，而面向低功耗、大连接的物联网场景的网络功能则由基于LTE的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）来提供，所以3GPP将5G NR和LTE的演进及NB-IoT共同作为一组5G技术提交给ITU-R，作为代表3GPP的5G技术。

2.1.3 核心网服务化和网络切片 ^[4]

传统的4G网络是一张结构固化的网络，各个功能一应俱全。但是对于差异化的企业级和垂直行业的应用，对网络功能的要求千差万别，采用这种传统的大而全的网络建设方式，必将导致资源的巨大浪费，且由于固化的网络结构而不能对时延和路由拓扑等进行必要的优化，难以满足个性化的业务拓展需求。

基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）的平台 ^[7-8] ，5G的新核心网基于服务化架构（Service Based Architecture，SBA），可以将网络功能划分为可重用的若干个“服务”，“服务”之间使用轻量化接口通信。服务化架构的目标是实现5G系统的高效化、软件化、开放化，核心网可承载在电信云基础设施上，实现IT化运维，带来网络的弹性和敏捷，缩短业务上线时间和新功能迭代的周期。所以，核心网设备通常分区域地部署在运营商的电信云机房中。

不同于传统4G网络“一条管道，尽力而为”的工作形式，5G网络引入了切片的概念，旨在基于统一的网络基础设施提供不同的、定制化的端到端“逻辑专用网络”，最优地适配不同行业用户的不同业务需求。结合网络切片独有的“同一网络基础设施、多个逻辑专用网络”技术特点，5G能够很好地匹配行业客户对于通信网络业务可用、安全可靠、可管可控的核心诉求，从而在行业建网成本和业务体验保障上取得有效平衡。“无切片，不2B”，网络切片已经成为5G区别于4G的标志性技术之一。

5G网络通过功能解耦的模块化设计、控制与承载分离、功能间以服务的方式进行调用、底层云化等颠覆性的设计来支持端到端切片能力、能力按需部署等，实现网络的定制化、开放化、服务化。服务化的架构使得业务和功能的部署非常灵活，基于SDN/NFV平台的核心网使得网络功能可以按需灵活部署，其容量可以弹性变化。

网络切片示意图如图2-6所示，对于5G网络来说，可以根据不同场景下的部署需求和业务需求，有选择性地部署相关的网络功能，并灵活地选择网络功能的部署位置，最佳地适应业务和客户的需求，同时做到网络投资的性价比最高；或者基于已经部署的网络，选择部分功能和网络设施形成一个逻辑上的虚拟子网络，为目标客户服务，满足个性化和差异化的数据隐私和安全隔离等需求。从图2-6不同场景的功能选择中可以看出，不同场景所需要部署和配置的功能因需求的不同而不同，在优化性能的同时并不需要对整个网络的功能全集进行部署，从而可以实现差异化的服务保证，也节约了网络投资。同时，在同一个物理区域的多个不同的应用场景重叠的情况下，网络基础设施还可以实现动态共享，通过切片的动态生成和按需编排、部署，满足不同业务的需求，避免硬件资源的浪费。

所以，网络切片是5G拓展差异化和碎片化的垂直行业应用市场的有效工具，可以提供敏捷的个性化和差异化的服务保障。

2.1.4 移动边缘计算

随着人工智能和大数据技术的不断发展，计算能力成为垂直行业应用中非常重要的一种能力，所以传统的单一的通信连接能力已经不能满足很多垂直行业应用的需求，移动边缘计算（MEC） ^[9] 应运而生。MEC将计算、存储和转发等功能引入移动网络的边缘（可以是单独的网元，也可以和无线基站合设），实现智能的用户面功能。MEC原理如图2-7所示。

MEC可以为网络带来如下好处。

（1）将业务和内容部署在尽可能靠近用户的位置上，使业务访问的时延最小化。

（2）将路由功能下放到距离用户尽可能近的位置，实现用户数据的快速路由和本地交换，缩短数据交互时延，同时避免敏感数据上大网，尽可能地保护数据安全和隐私。

（3）将计算能力部署在靠近用户的位置上，从而将用户端的计算转移到云端，在数据和处理结果的快速交互的同时简化终端实现，减小其尺寸、重量，降低其功耗和成本。例如，对于AR/VR类应用，如果将内容处理和渲染的功能上移到MEC，则可以大大降低AR/VR设备开发的门槛，同时也大大减小成本和重量等，使得设备更轻便和易于普及。

（4）将核心网的UPF下放到MEC，支持必要的计费、安全等功能，可以提供用户数据的高度隔离，实现用户数据的隐私性保护。

（5）通过标准的应用程序接口（Application Programming Interface，API），可以实现无线网络的能力开放，如位置定位等，将网络能力开放给第三方，进而培育新的业务和新的商业模式。

边缘计算可结合应用的需求来实现边缘计算功能的下沉，部署位置灵活，如可以部署到园区（甚至基站）、地市和省级机房，形成多级部署。边缘计算设备部署位置越高，覆盖用户面越广，同时单用户成本也会大幅下降。边缘计算设备部署到园区（或基站），可满足园区的生产制造所需的极低时延要求和数据不出园区的安全性要求，提供园区生产制造工业云服务，为柔性生产提供基础条件；边缘计算设备部署到地市，可满足AR/VR业务、园区工业制造生产平台（多厂区互联需求）以及物联网（Internet of Things，IoT）数据边缘预处理等需求；边缘计算设备部署到省级重要汇聚机房，可满足内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）、云存储、智慧城市大脑等广域应用场景需求。